光的挤压状态 Squeezed states of light

2022-11-01 13:10:27 浏览:243

定义

在一个正交分量中噪声低于标准量子极限的非经典光态。

光的挤压态(或挤压光)是一种非经典光,构成了量子光学的一个有趣的主题,其实验研究始于 1980 年代。

挤压光最好通过考虑复杂的相量来表示光在一种光场模式下的状态。 通常,这样的状态可以用某个相量(或其在复平面中的终点)表示。 然而,根据量子光学,存在量子不确定性,任何对光场复杂振幅的测量都可以在不确定区域内提供不同的值。 此外,光场的正交分量存在不确定性关系,认为两个分量的不确定性的乘积至少是普朗克常数h的若干倍。

格劳伯相干态具有圆对称的不确定性区域,因此不确定性关系决定了一些最小噪声幅度,例如幅度和相位。 该不确定性区域的面积与平均振幅无关,即不能通过衰减光来减小。 例如,只有通过“挤压”不确定性区域,在幅度方向上减小其宽度,同时在正交方向上增加其宽度,从而增加相位不确定性,才能进一步降低幅度噪声。 这种光称为振幅挤压(见图1,左)。 相反,相位挤压光(图1,中)以幅度波动增加为代价减少了相位波动。

图1:光的不同挤压状态,用相量图说明。蓝色椭圆表示不确定性区域。

当然,也存在挤压状态,其中不确定性区域的方向与所示情况不同,或者不确定性区域的形状与椭圆的形状不同。 (一个极端的例子是福克态,有一定的光子数。 无论如何,一些噪声分量低于标准量子限制。

还有所谓的挤压真空(图1,右),其中不确定性区域的中心(对应于平均振幅)位于坐标系的原点,并且波动在某个方向上减小。 在这种情况下,平均光子数大于零;挤压真空只是在平均振幅(而不是平均光子数)为零的意义上是“真空”。 平均振幅为非零的挤压光也称为亮挤压光。

量子噪声也会导致偏振波动,在偏振挤压光中会降低。

挤压光的产生

挤压光通常是通过使用某些光学非线性相互作用从相干状态或真空状态的光产生的。 例如,具有真空输入的光参量放大器可以产生挤压真空,使一个正交分量的噪声降低10 dB。 在某些情况下,通过倍频可以获得明亮幅度挤压光中较低程度的挤压。 光纤中的Kerr非线性还允许产生振幅挤压光。半导体激光器在精心稳定的泵浦电流下运行时可以产生幅度挤压的光。 挤压也可能来自原子光相互作用。

另一种可能性是使用光机械挤压[20,25]。 在这里,与强度噪声相关的辐射压力波动调制光谐振器中光的路径长度,从而引起幅度和相位噪声之间的相关性。

应用

原则上,挤压光可用于许多领域,因为它允许在降低量子噪声的情况下进行测量。 一个例子是用大型干涉仪探测引力波的超精确长度测量。 特别是,先进的LIGO Hanford装置配备了该技术,在2015年首次检测成功之前,该技术极大地提高了测量灵敏度[21][24]

到目前为止,挤压光的使用不是很普遍,基本上是因为它受到各种困难的困扰。 例如,任何光学损耗都会使光的挤压状态更接近相干状态,即倾向于破坏非经典性质。 然而,至少在基础量子光学研究中,光的挤压态起着重要作用。

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量子光学

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